CN114535255B

CN114535255B - 一种矿山微生物群落调理材料及其制备方法和应用

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Publication number: CN114535255B
Application number: CN202210175575.1A
Authority: CN
Inventors: 杨涛涛; 熊衍良; 毛喆; 张金桃; 梅力; 吴建强; 舒玮; 康亮华; 于虎
Original assignee: Chengmenshan Copper Mine Of Jiangxi Copper Industry Co ltd; Guangdong Taolin Ecological Environment Co ltd
Current assignee: Chengmenshan Copper Mine Of Jiangxi Copper Industry Co ltd; Guangdong Jiangtong Taolin Ecological Environment Co ltd
Priority date: 2022-02-24
Filing date: 2022-02-24
Publication date: 2022-12-06
Anticipated expiration: 2042-02-24
Also published as: CN114535255A

Abstract

本发明提供一种矿山微生物群落调理材料及其制备方法和应用。所述调理材料由以下方法制备获得：(1)采用制块机将尾矿制成中空结构，并设置有开口；(2)向步骤(1)获得的中空结构的中间空腔处填充富含有机质的工农业废弃物；(3)在所述工农业废弃物上面接种具备铁/硫还原功能的厌氧或者兼性厌氧微生物，然后用添加粘性材料的尾矿进行封口。所述调理材料利用废弃的尾矿作为材料，可实现矿山生态的高效修复，通过空腔接种的微生物繁殖，实现调节周边矿山土壤的微生物群落结构，抑制产酸微生物生长，达到源头控制重金属矿山土壤酸化的目的。本发明调理材料制备方法简单，成本低廉，效果突出，适合大面积应用，有助于提升尾矿废弃物的利用率，建立了尾矿综合利用与矿山生态修复的双赢模式。

Description

一种矿山微生物群落调理材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于尾矿资源化利用和矿山生态修复技术领域，具体涉及一种矿山微生物群落调理材料及其制备方法和应用。

背景技术

尾矿是矿山选矿后的残渣，目前已经成为严重的矿山问题之一。我国矿产资源需求量大，尾矿堆存量和占地面积巨大。据相关统计，我国尾矿的堆存总量已经高达600亿吨，占用土地面积达110多万公顷。尾矿的排放量占大宗工业固废的总排放量三分之一多。此外，尾矿长期堆存还容易发生安全和环境问题，如溃坝、重金属污染等问题，是重大灾害危险源之一。尾矿的资源化利用是解决上述问题的有效途径。

目前，生态修复是源头治理重金属矿山污染问题的重要手段，但矿山土壤的极端酸性严重阻碍了生态修复的实施。酸化导致的极端酸性造成植物种子不能萌发，植被群落无法有效构建。目前现有的技术仍停留在添加碱性材料中和现有酸性的思路上，但随着土壤酸化的不断进行，释放内部产酸潜力，这类技术只能在前期取得一定效果，后期仍然会出现返酸退化问题。因此，如何从根源上控制矿山土壤酸化难题是重金属矿山生态修复的重点和难点，亟需开发相应的调理材料和调控方法。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种矿山微生物群落调理材料及其制备方法和应用。所述矿山微生物群落调理材料利用尾矿和工农业废弃物为原料接种微生物制成，可以有效调整矿山土壤中微生物群落的结构，能从根源上控制重金属矿山土壤酸化，长期有效，从而实现尾矿再利用和矿山生态修复的双赢模式。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种矿山微生物群落调理材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用制块机将尾矿制成中空结构，并设置有开口；

(2)向步骤(1)获得的中空结构的中间空腔处填充富含有机质的工农业废弃物；

(3)在所述工农业废弃物上面接种具备铁和/或硫还原功能的厌氧或者兼性厌氧微生物，然后用添加了10％～15％质量比的粘性材料的尾矿进行封口。

本发明首次将尾矿用于矿山生态修复中，并经过研究获得了利用尾矿制备的调理材料。所述调理材料利用尾矿和工农业废弃物为原料接种功能微生物制成。

在其中一些实施例中，所述工农业废弃物包含以下重量份计的原料：1～5份糖蜜、8～12份秸秆粒、20～25份木薯渣、9～15份麦麸、8～12份玉米粉。

在其中一些实施例中，所述工农业废弃物包含以下重量份计的原料：1～3份糖蜜、8～12份秸秆粒、20～22份木薯渣、10～15份麦麸、9～12份玉米粉。

在其中一些实施例中，所述工农业废弃物包含以下重量份计的原料：3份糖蜜、8份秸秆粒、20份木薯渣、10份麦麸、9份玉米粉。

本发明优化的工农业废弃物来源广泛、方便易得，且价格低廉，有助于降低制备成本；且其中富含的有机质成分，其与尾矿配合使用，非常适用于培养备铁和/或硫还原功能的厌氧或者兼性厌氧微生物，能够为其提供很好的营养来源，并作为电子供体，为微生物的生长提供所需的条件。

在其中一些实施例中，所述微生物选自脱硫弯曲孢菌、脱硫弧菌属、希瓦氏菌属和地杆菌属中的至少一种。上述微生物能够催化三价铁还原成二价铁或者将硫酸盐还原成负二价的硫，本发明经过研究发现，其与酸性矿山土壤中的产酸微生物形成功能拮抗和生长竞争，实现抑制产酸微生物，调理微生物群落结构的效果。

在其中一些实施例中，所述尾矿为新生产的重金属尾矿。新生产的尾矿为碱性，没有发生酸化，保证了使用过程不会对植物根系造成影响，同时还能够提高酸性矿山土壤pH值。

在其中一些实施例中，所述尾矿为尾矿细砂。

在其中一些实施例中，所述尾矿的含泥量为3％～10％。含泥量在3％～10％之间能够增强尾矿的粘着性，确保成块，在运输过程不散开。

在其中一些实施例中，所述尾矿pH值为7.0～9.0。

在其中一些实施例中，所述粘性材料为糯米浆。

本发明所述尾矿制成的中空结构可以为任意形状，形状不会影响使用效果。

在其中一些实施例中，所述中空结构为中空块装结构，其外部和空腔均为正方体形状，外部边长为9～12cm，空腔边长为5～8cm。

在其中一些实施例中，用含粘性材料的尾矿进行封口形成的封口层的厚度为1.5～3cm。

本发明还提供了上述方法制备得到的矿山微生物群落调理材料。

本发明矿山微生物群落调理材料通过将尾矿制备成中空结构，并引入具备铁和/或硫还原功能的厌氧微生物或者兼性厌氧微生物及其生长所需的碳源。所述矿山微生物群落调理材料中间空腔处填充富含有机质的工农业废弃物并用含粘性材料的尾矿密闭能够形成一个相对厌氧的环境，为具备铁/硫还原功能的厌氧或者兼性厌氧微生物提供生长的空间，并复制繁殖。而尾矿作为矿山选矿后的残渣，其中含有丰富的硫酸盐和铁离子，能够为这些微生物提供丰富的底物，发明人发现，利用其制备调理材料，可以不需要额外添加硫酸盐和铁离子，微生物可以很好地生长和发挥其功能，从而降低成本，并能实现矿山废弃物资源的综合利用。封口用的尾矿优选添加10％～15％的糯米浆，能够增加尾矿粘性，使封口更密实，防止运输过程散开，并进一步增加微生物碳源。

本发明还提供了上述矿山微生物群落调理材料在矿山生态修复中的应用。

本发明还提供了一种矿山生态修复方法，包括以下步骤：

(1)待修复的矿山土壤开挖坑穴；

(2)将上述矿山微生物群落调理材料布放在坑穴中；

(3)回填土壤并进行表层土壤改良和植物种植；

(4)按照每周2～3次的频率对植物进行浇水。

本发明创新性地提出了一种矿山微生物群落调理方法，通过调整矿山土壤中微生物群落的结构，从根源上控制重金属矿山土壤酸化，从而达到矿山生态修复的目的。所述方法首先在待修复矿山土壤中布放所述调理材料，然后再进行表层土壤改良和植物种植。植物种植完成后，按照每周2～3次的频率进行浇水，浇水的目的一方面是为了植物养护，更重要的是，发明人发现，浇水能让调理材料变得疏松，并让其内部的微生物和有机营养物质随着水分与周边土壤产生交互，从而对周边土壤微生物群落产生影响。本发明通过大量试验发现，按照上述浇水频率，1～2个月后调理材料才会散开，其内部接种的微生物通过这段时间的生长繁殖，可达到原来接种量的10～30万倍，确保散开后能够对周边微生物群落产生足够的影响，并在与产酸菌竞争中占据优势。相比于过往异地培养制成菌剂再施加或者喷洒的方式，本发明提供了一种原位培养、原位使用的模式，仅需前期接种少许，不需要像过往一样消耗大量的菌剂，因而显著节约了修复成本，并可以做到随做随用，无需像以往一样需要等待菌种大量生长完成后制备成菌剂再使用，有利于配合工期。

在其中一些实施例中，所述坑穴的长度为15～20cm，宽度为15～20cm。

在其中一些实施例中，所述坑穴的长度为15cm，宽度为15cm。

在其中一些实施例中，所述坑穴的横向间距为4～6m，纵向间距为4～6m。

在其中一些实施例中，所述坑穴的横向间距为5m，纵向间距为5m。

在其中一些实施例中，所述坑穴的深度为25～40cm。

本发明通过大量试验，发现按照坑穴的横向间距为4～6m，纵向间距为4～6m能较好地平衡成本与修复效果。尤其是按照横向间距和纵向间距均为5m的密度布置坑穴和矿山微生物群落调理材料，实现了在成本可控可接受的情况下，能够充分保障调理材料中携带的微生物扩散到周边土壤，进行全面的微生物群落调节，效果较好。并且发现，坑穴的深度为25～40cm是后期植物生长后根系集中分布的深度范围，将调理块材料放在该深度，不仅可以通过回填土壤的方式形成密闭的厌氧环境，植物的根系还可以通过呼吸作用消耗土壤颗粒间隙的氧气；同时，调理材料中的微生物释放后可以抑制矿山土壤产酸，避免植物根系遇到酸化问题，导致植物死亡。

本发明利用尾矿和工农业废弃物制作矿山微生物群落调理材料，显著降低了调理材料的成本，避免了额外添加微生物生长所需的碳源和底物，并实现了尾矿的综合利用，建立了尾矿用于矿山修复的新模式。

不同于现有很多调理材料只能表面地改善矿山土壤理化条件，本发明制备的调理材料实现了对矿山土壤微生物群落的调节作用，能够通过竞争作用显著抑制矿山土壤的产酸微生物，实现源头控制产酸，解决矿山修复最大的难题。

本发明矿山修复方法操作简单，成本低廉，效果突出，适合大面积应用，显著提升了尾矿废弃物的利用率和矿山修复效果。

附图说明

图1为实施例2中矿山排土场实施区域修复前后土壤产酸微生物的相对丰度变化情况。

具体实施方式

本发明下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。实施例中所用到的各种常用化学试剂，均为市售产品。

除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不用于限制本发明。

本发明的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤。

在本发明中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面结合具体实施方式，对本发明做进一步的说明。

实施例1铜矿尾矿制备矿山微生物群落调理材料

本实施例调理材料的制备地点位于江西九江城门山铜矿。该铜矿的尾矿在生产过程进行了筛分，尾矿粗砂被矿方用于制备建筑材料；尾矿细砂由于不能用于建材制造，此前没有很好的处置方式，只能堆置在仓库，目前已面临无地可堆放的难题。选择该矿山的尾矿细砂作为材料，制备矿山微生物群落调理材料，具体步骤如下：

(1)选择上述尾矿(含泥量达到5％左右，pH约为8.0)，采用制块机制成中空的块状结构；中空块状结构的外部和空腔均为正方体形状均为正方体形状，外部边长为10cm，内腔中空部分边长为5cm；在中空块状结构的上方具有一个开口。

(2)向中间空腔处填充富含有机质的工农业废弃物，所述工农业废弃物包括3份糖蜜、8份秸秆粒、20份木薯渣、10份麦麸、9份玉米粉(按重量计)；按用量称取原料后混合均匀，然后填充到中间空腔处。

(3)在废弃物上面接种发明人前期分离的脱硫弯曲孢菌FKB(CGMCC No.10072)，并用添加12％质量比糯米浆的尾矿进行封口密闭，封闭的尾矿形成的封口层的厚度为1.5cm。

将按照上述方法制备好的矿山微生物群落调理材料，然后放置在空旷场地风干5天，即可成型，并用于后续的矿山生态修复项目。

实施例2矿山微生物群落调理材料用于铜矿排土场修复

本实施例的实施地点位于江西上饶德兴铜矿酸性排土场。该区域治理面积为52000平方米，土壤pH值低达2.7，酸化问题导致整个区域完全没有植物生长，并进一步发生酸性废水外溢、水土流失严重等问题，对周边生态环境造成较大影响。将上述制备好的矿山微生物群落调理块用于该酸性排土场治理，具体修复步骤如下：

(1)对上述排土场的酸性矿山土壤按照横向间距和纵向间距均为5m的间距开挖坑穴，坑穴的长度为15cm，宽度为15cm，坑穴的深度为35cm；

(2)将实施例1制备好的矿山微生物群落调理材料布放在坑穴中；

(3)回填土壤并按照石灰6kg/m²、土壤改良基质12kg/m²、磷肥0.3kg/m²的材料用量进行表层土壤改良，改良完成后进行乔灌草植物种植，品种包括：苗木(苎麻、刺槐、盐肤木、紫穗槐、红叶石楠、小叶女贞、杜鹃、大叶女贞、松树、樟树等)，每平方米2株；种子(狗牙根、宽叶雀稗、狗尾草、黑麦草、木豆、田菁、胡枝子、野菊花、金鸡菊、硫华菊、波斯菊等)，用量为50g/m²；

(4)植物种植完成后，按照每周2～3次的频率进行浇水。

2个月后，经检测，调理材料中的微生物已向周边土壤扩散，实现抑制产酸微生物，调理微生物群落结构。具体而言，修复前后土壤微生物群落组成的调查结果显示(见图1)：在属水平上，修复前，原始土壤样品产酸微生物总体的相对丰度达到76.1％，其中Ferroplasma相对丰度高达43.6％，另外还有Leptospirillum(11.2％)、Sulfobacillus(7.3％)、Aplasma(5.8％)、Gplasma(3.4％)、Acidithiobacillus(2.7％)、Acidiferrobacter(2.2％)等主要产酸微生物；而修复后，土壤样品产酸微生物的相对丰度为11.6％，相比原始土壤降低了85％，Ferroplasma相对丰度下降至1.9％。

矿山修复的返酸问题往往从修复一年后开始出现，故而在修复一年后对该修复区域又进行了土壤理化取样分析，并与临近的同期项目(其他单位实施，仅依赖添加碱性材料中和现有酸性)土壤进行对比。取样分析结果表明(表1)，该区域原始土壤pH值为2.7左右，NAG-pH低达2.6，净产酸量NAG达到48kg H₂SO₄/t，具有极强的酸性和产酸潜力。采用本发明技术，本实施例修复1年后的土壤pH值保持在7.2，NAG-pH提升至5.4，NAG降低为3.1kgH₂SO₄/t；而临近的同期项目修复1年后已出现返酸问题，pH仅有3.4左右，NAG-pH仅为3.2，NAG仍有29kg H₂SO₄/t，具有明显的产酸潜力，对植物生长已造成可见的影响。在植被恢复效果方面，本实施例取得了良好的实施效果，区域植被覆盖度达到98％，初步建立了自维持、不退化的稳定植被系统；而临近其他项目区域已出现退化问题，覆盖度仅有70％左右，并且植物明显生长不良。

表1土壤取样分析结果(n＝24，平均值±标准误)*

	pH	NAG-pH	NAG(kg H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>/t)
				原始土壤	2.7±0.2	2.6±0.3	48±3.2
本实施例修复1年后	7.2±0.6	5.4±0.6	3.1±0.4
				临近同期项目修复1年后	3.4±0.4	3.2±0.5	29±1.8

*注：因两块项目区域紧邻且实际为同一排土场，故原始土壤按同一数值。

以上结果表明，本发明矿山微生物群落调理材料按照上述方法用于铜矿排土场修复，能够对矿山土壤发挥很好的微生物群落调节效果，显著抑制土壤产酸菌的生长，保障修复后的土壤不发生返酸问题。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种矿山微生物群落调理材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用制块机将尾矿制成中空结构，并设置有开口；所述中空结构为中空块状结构；

(2)向步骤(1)获得的中空结构的中间空腔处填充富含有机质的工农业废弃物，所述工农业废弃物包含以下重量份计的原料：1～5份糖蜜、8～12份秸秆粒、20～25份木薯渣、9～15份麦麸、8～12份玉米粉；

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述微生物选自脱硫弯曲孢菌、脱硫弧菌属、希瓦氏菌属和地杆菌属中的至少一种。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述尾矿为新生产的重金属尾矿；和/或，所述粘性材料为糯米浆。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述尾矿的含泥量为3％～10％；和/或，所述尾矿pH值为7.0～9.0。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述中空结构的外部和空腔均为正方体形状，外部边长为9～12cm，空腔边长为5～8cm。

6.如权利要求1～5任一项所述的制备方法制备得到的矿山微生物群落调理材料。

7.如权利要求6所述的矿山微生物群落调理材料在矿山生态修复中的应用。

8.一种矿山生态修复方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)待修复的矿山土壤开挖坑穴；

(2)将如权利要求6所述的矿山微生物群落调理材料布放在坑穴中；

(3)回填土壤并进行表层土壤改良和植物种植；

(4)按照每周2～3次的频率对植物进行浇水。

9.如权利要求8所述的矿山生态修复方法，其特征在于，所述坑穴的横向间距为4～6m，纵向间距为4～6m；和/或，所述坑穴的深度为25～40cm。